DE3317701C2 - A method of operating a vertical shaft moving bed reduction reactor for reducing iron ore to sponge iron - Google Patents
A method of operating a vertical shaft moving bed reduction reactor for reducing iron ore to sponge ironInfo
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Abstract
Verfahren zum Betreiben eines vertikalen Bewegtbett-Reduktionsreaktors zum Reduzieren von Eisenerz zu Schwammeisen mit einer Reduktionszone im oberen Teil des Reaktors und einer Kühlzone im unteren Teil des Reaktors, bei dem man den gewünschten Grad der Metallisierung des reduzierenden Erzes in der Reduktionszone und den gewünschten Grad der Zementierung in der Kühlzone erhält, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß man in den Reaktor einen vorbestimmten Strom eines Reduktionsgases aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff zuführt und daß man das Verhältnis des Reduktionsgasstroms in der Reduktionszone zu dem Reduktionsgasstrom in der Kühlzone so einstellt, daß wenigstens die in der Reduktionszone erfolgende Metallisierung und die in der Kühlzone erfolgende Zementierung verändert werden, wobei man die Kohlendioxidkonzentration in der Reduktionszone auf einen Wert einstellt, bei welchem man dort den gewünschten Grad der Metallisierung erzielt und bei dem man den Kohlendioxidgehalt in der Kühlzone auf einen Wert einstellt, bei dem man den gewünschten Grad der Zementierung in der Kühlzone erhält.Process for operating a vertical moving bed reduction reactor for reducing iron ore to sponge iron with a reduction zone in the upper part of the reactor and a cooling zone in the lower part of the reactor, in which the desired degree of metallization of the reducing ore in the reduction zone and the desired degree of Cementation is obtained in the cooling zone, the method being characterized in that a predetermined flow of a reducing gas composed of carbon monoxide and hydrogen is fed into the reactor and in that the ratio of the reducing gas flow in the reduction zone to the reducing gas flow in the cooling zone is adjusted so that at least the The metallization taking place in the reduction zone and the cementing taking place in the cooling zone are changed, the carbon dioxide concentration in the reduction zone being adjusted to a value at which the desired degree of metallization is achieved there and at which the carbon dioxide content is achieved in the cooling zone to a value at which the desired degree of cementation in the cooling zone is obtained.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Bewegtbett-Reduktionsreaktors mit vertikalem Schacht zum Reduzieren von Eisenerz zu Schwammeisen, bei dem man ein Produkt mit einem vorbestimmten Grad der Metallisierung und Aufkohlung erhält.The invention relates to a method for operating a moving bed reduction reactor with a vertical Manhole for reducing iron ore to sponge iron, in which a product with a predetermined Degree of metallization and carburization is maintained.
Typischerweise wird die Herstellung von Schwammeisen in einem Bewegtbettreaktor mit Vertikalschachl durchgeführt und zwar in zwei Hauptstufen: nämlich der Reduktion des Erzes in einer Reduktionszone, durch welche ein geeignetes heißes Reduktionsgas, das sich hauptsächlich aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff zusammensetzt, bei einer Temperatur im Bereich von 700 bis 1000°C und vorzugsweise 750 bis 950°C geleitet wird, und der Kühlung des reduzierten Schwammeisens in einer Kühlzone, durch welche ein gasförmiges Kühlmittel bei einer Temperatur unterhalb etwa 200° C undTypically the manufacture of sponge iron carried out in a moving bed reactor with vertical chess and in two main stages: namely the reduction of the ore in a reduction zone through which a suitable hot reducing gas is passed through mainly composed of carbon monoxide and hydrogen, passed at a temperature in the range of 700 to 1000 ° C and preferably 750 to 950 ° C is, and the cooling of the reduced sponge iron in a cooling zone through which a gaseous coolant at a temperature below about 200 ° C and
ίο vorzugsweise unterhalb 100°C geleitet wird. Systeme dieser allgemeinen Art werden in den US-PS 37 65 872, 38 16 102 und 42 16 011 beschrieben, in denen ein senkrechter Reaktor mit einer Reduktionszone im oberen Teil und einer Kühlzone im unteren Teil verwendet wird. Das zu behandelnde Erz wird am Kopf des Reaktor aufgegeben und dort nach unten durch die Reduktionszone fließen gelassen, wo es durch heißes Reduktionsgas reduziert wird und anschließend fließt das reduzierte Erz in die Kühlzone nach unten, wo es durch Berührung mit einem Strom eines geeigneten Kühlgases abgekühlt und zementiert wird. Das gekühlte Schwammeisen wird dann am Boden des Reaktors entnommen. Typischerweise werden sowohl das Reduktionsgas als auch das Kühlgas im Kreislauf gefahren, gewünschtenfalls in geschlossenen Schleifen, zu denen Ströme von frischem (sogenanntem make-up) Reduktionsgas zubegeben werden und aus denen Ströme von verbrauchtem Gas abgezogen werden.ίο is preferably passed below 100 ° C. Systems of this general type are described in US-PS 37 65 872, 38 16 102 and 42 16 011, in which a vertical Reactor used with a reduction zone in the upper part and a cooling zone in the lower part will. The ore to be treated is fed into the top of the reactor and down there through the reduction zone allowed to flow where it is reduced by hot reducing gas and then the reduced flows Ore down into the cooling zone, where it is made by contact with a stream of a suitable cooling gas is cooled and cemented. The cooled sponge iron is then removed from the bottom of the reactor. Typically, both the reducing gas and the cooling gas are circulated, if desired in closed loops, to which streams of fresh (so-called make-up) reducing gas are added and from which streams of used gas are withdrawn.
Bei einer Reihe von bekannten Direktreduktionsverfahren wird das zur Reduktion des Eisens benötigte Reduktionsgas in einer katalytischen Reformiereinheit durch Umwandlung von Naturgas gemäß den folgenden Gleichungen erzeugt:In a number of known direct reduction processes, the reducing gas required to reduce the iron is used in a catalytic reforming unit by converting natural gas according to the following Equations generated:
CH4 + H2O-CO+ 3H2
CH4 + CO2 --2 CO + 2 H2 CH 4 + H 2 O-CO + 3H 2
CH 4 + CO 2 --2 CO + 2 H 2
Bei den Reformierreaktionen von Naturgas, das sich hauptsächlich aus Methan zusammensetzt, wird dieses in Wasserstoff und Kohlenmonoxid in Gegenwart eines Oxidationsmittels aus entweder Wasser oder Kohlendioxid umgewandelt. Als Ergebnis erhält man ein Reformiergas, das sich im wesentlichen aus Wassersstoff und Kohlenmonoxid zusammensetzt. In jüngerer Zeit ist es aufgrund der Abnahme der Verfügbarkeit und der zunehmenden Kosten für Naturgas außerordentlich wichtig und wünschenswert geworden, für ein Direktreduktionsverfahren die erforderliche Menge an Naturgas zuIn the reforming reactions of natural gas, which is mainly composed of methane, this is in hydrogen and carbon monoxide in the presence of an oxidizing agent of either water or carbon dioxide converted. As a result, a reforming gas is obtained, which is essentially composed of hydrogen and Composed of carbon monoxide. More recently it is due to the decrease in availability and the increase Natural gas costs have become extremely important and desirable for a direct reduction process the required amount of natural gas too
so minimalisieren.so minimize.
Das in die Reduktionszone des Reaktors eingeführte Reduktionsgas hat typischerweise eine höhere Temperatur und berührt das nach unten strömende Eisenerz, wodurch das darin enthaltene Eisenoxid gemäß den folgenden Grundreaktionen reduziert wird:The reducing gas introduced into the reducing zone of the reactor is typically at a higher temperature and contacts the downward flowing iron ore, thereby reducing the iron oxide contained therein according to the following Basic reactions are reduced:
3 Fe2O3 + H2/CO —2 Fe3O4 + H2O/CO2 (3) Fe3O4 + H2/CO —3 FeO + H2O/CO2 (4)3 Fe 2 O 3 + H 2 / CO —2 Fe 3 O 4 + H 2 O / CO 2 (3) Fe 3 O 4 + H 2 / CO —3 FeO + H 2 O / CO 2 (4)
FeO + H2/CO -Fe + H2O/CO (5)FeO + H 2 / CO -Fe + H 2 O / CO (5)
Das verbrauchte, den Reaktor verlassende Reduktionsgas wird gekühlt, um das durch die Reduktion des Eisenerzes mit Wasserstoff gebildete Wasser zu entfernen und anschließend wird das entwässerte Abgas in die Reduktionszone des Reaktor rezirkuliert. Die Rezirkulierung oder das Recycling des Abgases kann auf ver-The used reducing gas leaving the reactor is cooled in order to reduce the Iron ore to remove water formed with hydrogen and then the dehydrated exhaust gas into the The reactor's reduction zone is recirculated. The recirculation or recycling of the exhaust gas can be done on different
schiedene Weise erfolgen: Zum Beispiel kann man das Gas direkt zurück in den Reaktor führen oder man kann das Gas zunächst durch den Reformer und eine Heizvorrichtung führen oder man kann das Gas nur durch die Heizvorrichtung im Kreislauf führen. In jedem Fall gibt man jedoch frisches Reduktionsgas zu dem im Kreislauf gefahrenen Abgas zu, bevor dieses in den Reaktor eingeführt wird. Da die Menge an dem während des Reduktionsverfahrens gebildeten Kohlendioxid in dem Reaktor beachtlich ist, muß ein Teil des verbrauchten Gases abgelüftet oder gereinigt werden, um eine geeignete Gesamtkohlenstoffbilanz innerhalb der Reduktionszone aufrecht zu erhalten.can be done in different ways: For example, you can lead the gas directly back into the reactor or you can The gas first pass through the reformer and a heating device or you can just pass the gas through cycle the heater. In any case, however, fresh reducing gas is added to the im Circulated exhaust gas before this is introduced into the reactor. As the amount of during The carbon dioxide formed in the reactor during the reduction process must be a part of that which is consumed Gas can be vented or purified to a suitable overall carbon balance within the reduction zone to maintain.
Wie vorher schon erwähnt, stellt das frische Reduktionsgas, das typischerweise durch katalytische Umwandlung von Methan in dem in das Verfahren zugeführten Naturgas erzeugt wird, die Nettokohlenstoffzuiahr zu dem Verfahren aufgrund des Kohlenstoffgehaltes des Naturgases dar. Um das Reduktionsverfahren unter konstanten Bedingungen und kontinuierlich durchführen zu können, ist es erforderlich, den Kohlenstoff aus dem System in einer solchen Menge zu entfernen, die im wesentlichen der Nettomenge der zugeführten Kohlenstoffmenge äquivalent ist. Kohlenstoff kann aus dem System in kombinierter Form mit dem Schwammeisen in Form von Eisenkarbid oder in gasförmiger Form als CO, CO2 und CH4, das aus der Kreislaufschleife in Form von verbrauchtem Gas abgelüftet wird, aus dem System entfernt werden.As previously mentioned, the fresh reducing gas, which is typically generated by the catalytic conversion of methane in the natural gas fed into the process, represents the net carbon addition to the process due to the carbon content of the natural gas. In order to be able to carry out the reduction process under constant conditions and continuously , it is necessary to remove the carbon from the system in an amount substantially equivalent to the net amount of the supplied amount of carbon. Carbon can be removed from the system in a combined form with the sponge iron in the form of iron carbide or in gaseous form as CO, CO 2 and CH4, which is vented from the loop in the form of used gas.
Ein geeignetes Gleichgewicht zwischen der Menge des in das Verfahren eintretenden und austretenden Kohlenstoffs ist erforderlich, um eine zu große Kohlenstoffabscheidung auf dem Schwammeisen, das sich durch den Reaktor bewegt, zu vermeiden. Zwar kann man Kohlenstoff wirksam aus dem Verfahren eliminieren, indem man wenigstens einen Teil des Abgases aus dem Reaktor ablüftet, jedoch geht bei diesem Verfahren auch der Wasserstoff, der ebenfalls im Abgas vorliegt und der besonders wirksam bei der Reduktion ist, verloren. A proper balance between the amount entering and exiting the process Carbon is required to cause too much carbon to deposit on the sponge iron that is moving through the reactor to avoid. It is true that carbon can be effectively eliminated from the process, by venting at least some of the off-gas from the reactor, however, this method works the hydrogen, which is also present in the exhaust gas and which is particularly effective in the reduction, is also lost.
Aus der DE-OS 30 23 121 ist ein Verfahren zur gasförmigen Reduktion von Eisenerz zu Schwammeisen bekannt, bei dem man einen vorbestimmten gewünschten Aufkohlungsgrad erzielt.DE-OS 30 23 121 discloses a method for the gaseous reduction of iron ore to sponge iron known, in which a predetermined desired degree of carburization is achieved.
Die vorliegende Erfindung geht von dem Stand der Technik gemäß DE-OS 30 23 121 aus, bei dem das Eisenerz in einer Reduktionszone durch Hindurchströmen des Reduktionsgases bei einer Temperatur von 700 bis 11000C reduziert wird und in einer Kühlzone im unteren Teil des Reaktors auf eine Temperatur unterhalb 2000C gekühlt und aufgekohlt wird. Dabei bildet die Reduktionszone einen Teil einer Gasflußschleife, durch welche das Reduktionsgas zur Reduktionszone zurückgeführt wird und in welcher das im Kreislauf geführte Gas durch einen Kühler, eine Kohlendioxid-Entfernungseinheit und eine Heizvorrichtung geführt wird, wobei die Kühlzone einen Teil der Kühlgasschleife bildet, durch welche das außerhalb des Reaktors gekühlte Ga? im Kreislauf zu der Kühlzone zurückgeführt wird. Ein vorbestimmter Strom von frischem Reduktionsgas, das sich hauptsächlich aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid zusammensetzt, wird in das System als ein erster Strom eingeführt, und dieser erste Strom wird in einen zweiten Strom, der in die Reduktionsgasschleife eingeführt wird, und in einen dritten Strom, der in die Kühlgasschleife eingeführt wird, aufgeteilt.The present invention proceeds from the prior art according to DE-OS 30 23 121, in which the iron ore is reduced in a reduction zone by flowing the reducing gas at a temperature of 700-1100 0 C and in a cooling zone in the lower part of the reactor a temperature below 200 0 C is cooled and carburized. The reduction zone forms part of a gas flow loop through which the reducing gas is returned to the reduction zone and in which the circulated gas is passed through a cooler, a carbon dioxide removal unit and a heating device, the cooling zone forming part of the cooling gas loop through which the Ga cooled outside the reactor? is returned in the circuit to the cooling zone. A predetermined stream of fresh reducing gas composed primarily of hydrogen and carbon monoxide is introduced into the system as a first stream, and this first stream is converted into a second stream, which is introduced into the reducing gas loop, and a third stream, which is introduced into the cooling gas loop, divided.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Verfahren der vorgenannten Art zur Herstellung eines Produktes mit einem vorbestimmten Grad der Metallisierung und Aufkohlung den Bedarf an Naturgas zu minimalisieren und den Gesamtenergiebedarf zu optimieren.The object of the invention is, in a method of the aforementioned type for producing a product with a predetermined degree of metallization and carburization to minimize the need for natural gas and to optimize the total energy demand.
Diese Aufgabe wird gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst, indem man die Fließgeschwindigkeit des ersten Stromes im wesentlichen konstant hält und das Aufspaltverhältnis des zweiten zu dem dritten Strom so modifiziert, daß dadurch die in gegenseitiger Beziehung stehenden Reduktions- und Aufkohlungsreaktionen in den jeweiligen Reduktions- und Kühlzonen bewirkt werden, und man ein Produkt mit einem vorbestimmten Grad der Metallisierung und Aufkohlung erhält.This object is achieved according to claim 1 by the flow rate of the first Current holds essentially constant and the splitting ratio of the second to the third stream so modified that thereby the interrelated reduction and carburization reactions in the respective reduction and cooling zones are effected, and a product with a predetermined Degree of metallization and carburization is maintained.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird dargelegt, daß die Reduktion von FeO in der Reduktionszone des Reaktors durch eine Umsetzung des heißen Reduktionsgases, das sich hauptsächlich aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff zusammensetzt, wie folgt verläuft:For a better understanding of the invention it is shown that the reduction of FeO in the reduction zone of the reactor through a conversion of the hot reducing gas, which is mainly made up of carbon monoxide and hydrogen is composed as follows:
CO + FeO -Fe + CO2
H2 + FeO -Fe + H2OCO + FeO -Fe + CO 2
H 2 + FeO -Fe + H 2 O
Die Aufkohlungsreaktionen, die gleichzeitig im Reaktor mit den Reduktionsreaktionen ablaufen, können durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden:The carburization reactions that take place in the reactor at the same time as the reduction reactions can occur can be expressed by the following equations:
2 CO —C + CO2
3C + Fe-FeC3 2 CO-C + CO 2
3C + Fe-FeC 3
Es ist bekannt, daß die obigen Aufhebungsreaktionen bei Temperaturen im Bereich von etwa 500 bis 7000C begünstigt werden und daß die Kohlenstoffabscheidung auf dem Schwammeisen deshalb in viel größerem Maße in der Kühlzone des Reaktors stattfindet. Aus der Gleichung (8) wird deutlich, daß die Aufkohlungsrate in der Reduktionszone und in der Kühlzone zu einem großen Maße durch die Konzentration von in dem Reduktionsoder Kühlgas enthaltenen CO abhängig ist. In gleicher Weise kann man aus der Gleichung (6) entnehmen, daß die Reduktionsrate in erheblichem Maße durch die Konzentration von CO im Reduktionsgas bestimmt wird.It is known that the above cancellation reactions are favored at temperatures ranging from about 500 to 700 0 C and in that the carbon deposition takes place on the sponge iron, therefore, a much greater extent in the cooling zone of the reactor. From equation (8) it becomes clear that the carburization rate in the reduction zone and in the cooling zone depends to a large extent on the concentration of CO contained in the reducing or cooling gas. In the same way it can be seen from equation (6) that the reduction rate is determined to a considerable extent by the concentration of CO in the reducing gas.
Es ist bekannt, Kohlenstoff aus dem Reduktionsverfahren zu eliminieren, um die gewünschte Gesamtkohlenstoffbilanz zu erhalten, indem man wenigstens einen Teil des verbrauchten Kreislaufgases ablüftet. Die vorliegende Erfindung stellt eine alterantive Methode zur selektiven Eliminierung von Kohlenstoff aus dem Reduktionssystem zur Verfügung, indem man kontrolliert Kohlendioxid aus dem im Kreislauf des Reaktors geführten verbrauchten Gas adsorbiert. Durch die Adsorption von Kohlendioxid aus dem Kreislaufgas kann man die erforderliche Menge an Kohlenstoff eliminieren, ohne daß ein Verlust an Wasserstoff in dem System stattfindet. Als Ergebnis muß man weniger Naturgas zum Kompensieren des Verlustes der Reduktionskapazität in dem Kreislaufgas, im Vergleich zu den bekannten Systemen, bei denen ein erheblicher Teil des Kreislaufgases gereinigt oder abgelüftet wird, zufügen.It is known to produce carbon from the reduction process to get the desired overall carbon balance by having at least one Part of the used cycle gas is vented. The present invention provides an alternative approach selective elimination of carbon from the reduction system available by controlling Carbon dioxide is adsorbed from the spent gas circulating in the reactor. By adsorption of carbon dioxide from the cycle gas, the required amount of carbon can be eliminated, without there being any loss of hydrogen in the system. As a result, you need less natural gas to compensate for the loss of reducing capacity in the cycle gas compared to the known ones Add to systems that clean or vent a significant portion of the cycle gas.
Vorzugsweise wird im wesentlichen das gesamte Kohlendioxid aus dem im Kreislauf geführten Reduktionsgas entfernt, bevor das im Kreislauf geführte Reduktionsgas in die Reduktionszone zurückgeführt wird.Preferably, substantially all of the carbon dioxide is derived from the circulating reducing gas removed before the circulating reducing gas is returned to the reduction zone.
Zur Herstellung eines Schwammeisens mit einer Metallisierung von wenigstens 94% und einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 1,0% ist es vorteilhaft, wenn im wesentlichen die gesamte Menge des dem ReaktorFor the production of a sponge iron with a metallization of at least 94% and a carbon content of less than 1.0%, it is advantageous to have substantially all of the amount in the reactor
zugeführten frischen Reduktionsgases in die Reduktionsgasschleife eingeführt wird.fresh reducing gas supplied into the reducing gas loop is introduced.
Weiterhin ist es vorteilhaft zur Erzeugung eines Schwammeisens mit einer Metallisierung von 80 bis 84% und einem Kohlenstoffgehalt von 2,7 bis 3,2%, wenn man den größten Teil des frischen Reduktionsgases in die Kühlschleife einführt.It is also advantageous to produce a sponge iron with a metallization of 80 to 84% and a carbon content of 2.7 to 3.2% if you take most of the fresh reducing gas introduces into the cooling loop.
F i g. 1 ist ein Diagramm eines Systems mit einem Bewegtbettreaktor mit senkrechtem Schaft gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,F i g. 1 is a diagram of a system with a moving bed reactor with a vertical shaft according to a preferred embodiment of the invention Procedure,
F i g. 2 zeigt eine Kurve, in welcher der Prozentsatz der Metallisierung als Funktion des relativen Gasstroms in die Reduktions- und Kühlzonen gezeigt wird,F i g. Figure 2 shows a graph in which the percentage of metallization as a function of the relative gas flow is shown in the reduction and cooling zones,
F i g. 3 zeigt eine Kurve für den Prozentsatz an Kohienstoff auf dem Schwammeisen, d. n. die Aufkohlung, als Funktion des relativen Gasstroms in die Reduktionszonen und Kühlzonen, und F i g. 3 shows a graph for the percentage of carbon on the sponge iron, d. n. the carburization, as a function of the relative gas flow into the reduction zones and cooling zones, and
F i g. 4 zeigt eine Kurve für den Gesamtprozentsatz des in Form von CO2 absorbierten Kohlenstoffs als Funktion des relativen Gasflusses in die Reduktionsund Kühlzonen.F i g. 4 shows a graph for the total percentage of carbon absorbed in the form of CO2 as Function of the relative gas flow in the reduction and cooling zones.
Bezugnehmend auf F i g. 1 wird eine katalytische Reformiereinheit 80 bekannter Art mit Naturgas durch eine Leitung 78 und mit Dampf, der durch eine Leitung 79 eingespritzt wird, versorgt. Der Dampf wird aus Wasser erzeugt, das durch eine Leitung 85 in einen Abwärmeofen 84 durch die Schlangen der Leitung 79 in den Schacht 81 eingeführt wird. Das Naturgas und das Dampfgemisch werden vorerhitzt, indem es durch Schlangen im Schachtteil 81 des Reformers 80 geleitet wird, worauf man es dann durch ein erhitztes Katalysatorbett im unteren Teil 82 des Reformers strömen läßt, wo es in eine Gasmischung umgewandelt wird, die hauptsächlich aus Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Wasserdampf besteht. Das reformierte Gas verläßt den Reformer 80 durch eine Leitung 83 und tritt in einen Abschreckkühler 90 ein, wo das Gas gekühlt und entwässert wird. Beim Verlassen des Kühlers 90 strömt das Gas durch eine Leitung 92, die ein Durchflußstrom-Stellglied 94 aufweist mit einer Fließrate, die als F0 bezeichnet wird. Der Gasstrom Fo teilt sich in zwei getrennte Ströme auf, nämlich in Fi, der durch die Leitung 95 fließt und als Ergänzungsreduktionsgas in der Reduktionsschieife verwendet wird, und in Fa, der durch eine Leitung % fließt und als Ergänzungskühlgas in der Kühlschleife verwendet wird.Referring to FIG. 1, a catalytic reforming unit 80 of known type is supplied with natural gas through line 78 and with steam injected through line 79. The steam is generated from water introduced through line 85 into a waste heat furnace 84 through the coils of line 79 into duct 81 . The natural gas and vapor mixture are preheated by passing them through coils in the duct portion 81 of the reformer 80 , whereupon it is passed through a heated catalyst bed in the lower portion 82 of the reformer where it is converted into a gas mixture consisting primarily of carbon monoxide , Hydrogen and water vapor. The reformed gas exits the reformer 80 through a line 83 and enters a quench cooler 90 where the gas is cooled and dewatered. Upon exiting the cooler 90, the gas flows through a conduit 92 having a flow rate actuator 94 at a flow rate referred to as F 0 . The gas stream Fo splits into two separate streams, namely Fi, which flows through line 95 and is used as make-up reducing gas in the reduction loop, and Fa, which flows through line% and is used as make-up cooling gas in the cooling loop.
Unter besonderer Bezugnahme auf die Reduktionsschleife, wie sie in F i g. 1 bezeigt wird, fließt der Gasstrom Fi durch eine Leitung 95, die mit einem Durchflußstrom-Stellglied 97 versehen ist und wird mit dem verbrauchten Gas aus dem Reaktor, das in die Reduktionszone zurückgeführt wird und das als F3 bezeichnet wird, vereint und bildet einen Reduktionsgasstrom F2, der durch eine Leitung 98 in einen Erhitzer 100 strömt, worin das Gas in bekannter Weise auf eine Temperatur im Bereich von 700 bis 11000C, vorzugsweise etwa 900° C, erhitzt wird. Das erhitzte Reduktionsgas verläßt den Erhitzer 100 durch eine Leitung 101 und tritt in die Reduktionszone 12 des mit 10 bezeichneten Reaktors ein. Das in die Reduktionszone 12 des Reaktors 10 eintretende Reduktionsgas läßt man darin nach oben in Kontakt mit dem absteigenden Eisenerz fließen, um dadurch die Reduktion des darin enthaltenen Eisenerzes zu bewirken. Das verbrauchte Reduktionsgas verläßt den Reaktor 10 durch eine Leitung 18 und tritt in den Kühler 20 ein, wo es gekühlt und entwässert wird. Das gekühlte und entwässerte verbrauchte Gas verläßt den Kühler 20 durch eine Leitung 21, wobei ein Teil des Gases, der mit Fe bezeichnet wird, durch Leitungen 22, 27, die mit einem Durchflußstrom-Stellglied 24 ausgerüstet sind, abgelüftet oder zu einem Lagerraum transportiert wird. Der mit F% bezeichente Gasstrom kann auch als Brennstoff in dem Reformer 80 oder in dem Erhitzer 100 verwendet werden.With particular reference to the reduction loop as shown in FIG. 1, the gas stream Fi flows through a conduit 95 provided with a flow rate actuator 97 and is combined with the spent gas from the reactor which is returned to the reduction zone and which is designated as F3 to form a reducing gas stream F2, which flows through a conduit 98 into a heater 100 wherein the gas is heated in a known manner to a temperature in the range 700-1100 0 C, preferably about 900 ° C. The heated reducing gas leaves the heater 100 through a line 101 and enters the reduction zone 12 of the reactor designated 10. The reducing gas entering the reducing zone 12 of the reactor 10 is allowed to flow upward therein in contact with the descending iron ore to thereby effect the reduction of the iron ore contained therein. The used reducing gas leaves the reactor 10 through a line 18 and enters the cooler 20 , where it is cooled and dewatered. The cooled and dewatered spent gas leaves the cooler 20 through a line 21, with a portion of the gas designated Fe being vented or transported to a storage room through lines 22, 27 equipped with a flow rate actuator 24 . The gas flow denoted by F% can also be used as fuel in the reformer 80 or in the heater 100 .
Der größere Teil des verbrauchten Gases aus dem Reaktor fließt durch eine Leitung 25 in die Ansaugseite des Kompressors 26. Das komprimierte Ansaugseite des Kompressors 26. Das komprimierte verbrauchte Gas verläßt den Kompressor 26 durch eine Leitung 28 und fließt in eine Kohlendioxid-Adsorptionseinheit 30, worin das in dem verbrauchten Gas enthaltene Kohlendioxid entfernt wird. Nach der Entfernung des Kohlendioxids aus dem verbrauchten Gas fließt der mti F3 bezeichnete Gasstrom durch eine Leitung 32, die mit einem Durchflußstrom-Stellglied 34 versehen ist und wird, wie vorher angegeben, mit dem Gasstrom F, vereintThe greater part of the spent gas from the reactor flows through a line 25 into the suction side of the compressor 26. The compressed suction side of the compressor 26. The compressed used gas leaves the compressor 26 through a line 28 and flows into a carbon dioxide adsorption unit 30, wherein the carbon dioxide contained in the used gas is removed. After the carbon dioxide has been removed from the spent gas, the gas stream designated F3 flows through a conduit 32 which is provided with a flow rate actuator 34 and is combined with the gas stream F, as previously indicated
Wie erwähnt, kann man einen Teil des Gassstroms Fo durch eine Leitung 96 in die Kühlschleife des Reduktionssystems als Ergänzungskühlgas fließen lassen. Das Ergänzungskühlgas F4 fließt durch eine Leitung 96, die mit einem Durchflußstrom-Stellglied 98' versehen ist und vereint sich mit dem Kühlgas, das in der Kühlschleife des Reaktors 10 im Kreislauf geführt wird, unter Ausbildung eines mit Fs bezeichneten Kühlgasstroms. Gasströme F5 fließen durch eine Leitung 99 und werden in die Kühlzone 14 des Reaktors 10 eingeleitet Man läßt das Kühlgas durch die Kühlzone in Kontakt mit dem absteigenden reduzierten Schwammeisen kommen, um das darin enthaltene Schwimmeisen zu kühlen und zu zementieren. Das Kühlgas verläßt die Kühlzone 14 durch eine Leitung 103 und tritt in einen Kühler 110 ein, wo es gekühlt und entwässert wird. Der gekühlte und entwässerte Gasstrom fließt durch eine Leitung 112 in die Ansaugseite des Kompressors 116, wo es zurück in die Kühlzone 14 durch eine Leitung 118 gepumpt wird, nachdem es mit dem Strom F4 unter Ausbildung des Stroms Fs vereint wurde.As mentioned, part of the gas flow Fo can flow through a line 96 into the cooling loop of the reduction system as supplementary cooling gas. The supplemental cooling gas F4 flows through a line 96 which is provided with a flow control element 98 'and combines with the cooling gas which is circulated in the cooling loop of the reactor 10 to form a cooling gas flow labeled Fs. Gas streams F 5 flow through a line 99 and are introduced into the cooling zone 14 of the reactor 10. The cooling gas is allowed to come into contact with the descending reduced sponge iron through the cooling zone in order to cool and cement the floating iron contained therein. The cooling gas leaves the cooling zone 14 through a line 103 and enters a cooler 110 where it is cooled and dewatered. The cooled and dewatered gas stream flows through line 112 into the suction side of compressor 116, where it is pumped back into cooling zone 14 through line 118 after being combined with stream F4 to form stream Fs .
Es bleibt festzuhalten, daß in der Kühlzone der in F i g. 1 beschriebenen Ausführungsform keine äußere Reinigung benötigt wird.It remains to be noted that in the cooling zone the in F i g. 1 described embodiment no external Cleaning is needed.
Ein Teil des Ergänzungsstroms F4 wird durch die Reduktions- und Aufkohlungsreaktionen der vorerwähnten Art, die in der Kühlzone 14 ablaufen, verbraucht, während der restliche Teil des in die Kühlzone 14 eingeführten Ergänzungskühlgases in die Reduktionszone 12 innerhalb des Reaktors 10 strömt Durch die Adsorption von Kohlendioxid in dem verbrauchten Kreislaufgas kann Kohlenstoff selektiv aus dem System entfernt werden, ohne daß die anderen reduzierenden Komponenten verlorengehen und dadurch wird die Menge des dem Verfahren zuzuführenden Naturgases minimalisiert Im praktischen Betrieb werden die Gasströme F0, F2 und F5 vorzugsweise bei einem konstanten Wert gehalten, weil diese Ströme die optimale Ausführung der Reformiereinheit, der Heizeinheit und des Kühlschleifenkompressors bestimmen. Eine typische Gaszusammensetzung des Stroms Fo ist die folgende:Part of the make-up stream F4 is consumed by the reduction and carburization reactions of the aforementioned type that take place in the cooling zone 14, while the remaining part of the make-up cooling gas introduced into the cooling zone 14 flows into the reduction zone 12 within the reactor 10 by the adsorption of carbon dioxide In the used cycle gas, carbon can be selectively removed from the system without the other reducing components being lost and the amount of natural gas to be fed to the process is thereby minimized. In practical operation, the gas flows F 0 , F2 and F5 are preferably kept at a constant value, because these flows determine the optimal design of the reforming unit, the heating unit and the cooling loop compressor. A typical gas composition of the stream Fo is as follows:
Das im Strom Fo enthaltene Kohlenmonoxid wird als Reduktionsmittel gemäß den Gleichungen (3), (4) und (5) oder uls Aufkohlungsmittel gemäß der Gleichung (8) verwendet. Bei der Direktreduktion von Schwammeisen neigt Kohlenmonoxid dazu, Eisenoxid bei höheren Temperaturen zu reduzieren, während die Neigung zur Abscheidung von Kohlenstoff auf dem Schwammprodukt bei niederen Temperaturen besteht. Um sowohl die Metallisierung als auch den Kohlenstoffgehalt des Schwammeisenproduktes zu kontrollieren, um ein »ausgeblichenes« Produkt mit entweder einer höheren Metallisierung und einer niedrigeren Aufkohlung oder einer niedrigeren Metallisierung und einer höheren Aufkohlung zu erzielen, werden die relativen Mengen des Ergänzungsgasstroms F4 zu der Kühlschleife und von Fi zu der Reduktionsschleife variabel Kontrolliert. Das heißt mit anderen Worten, daß man durch Konstanthalten der Gasströme Fo, Fi und F5 und durch Variation des Gasstromverhältnisses F4/F0 ein ausgeglichenes Schwammeisenprodukt erhält.The carbon monoxide contained in the stream Fo is used as a reducing agent according to equations (3), (4) and (5) or as a carburizing agent according to equation (8). In the direct reduction of sponge iron, carbon monoxide tends to reduce iron oxide at higher temperatures, while there is a tendency for carbon to deposit on the sponge product at lower temperatures. In order to control both the metallization and the carbon content of the sponge iron product in order to achieve a "faded" product with either a higher metallization and a lower carburization or a lower metallization and a higher carburization, the relative amounts of the make-up gas flow F4 to the cooling loop and Controlled variably from Fi to the reduction loop. In other words, by keeping the gas flows Fo, Fi and F5 constant and by varying the gas flow ratio F4 / F0, a balanced sponge iron product is obtained.
Fig.2 zeigt die Wirkung der Metallisierung von Schwammeisen als Funktion der Veränderung des F4/Fo-Verhältnisses.Fig.2 shows the effect of the metallization of Sponge iron as a function of the change in the F4 / Fo ratio.
In gleicher Weise zeigt Fig.3 die Wirkung auf den prozentualen Kohlenstoffgehalt des Schwammeisen-Produktes als Funktion des Fi/Fo-Verhältnisses. Aus den Fig.2 und 3 wird deutlich, daß dann, wenn das F4/F0-Verhältnis sich Null nähert, ein Produkt mit sehr hoher Metallisierung und niedrigem Kohlenstoffgehalt erhalten wird, während dann, wenn das F4/F0-Verhältnis sich 1,0 nähert, eine niedrigere Metallisierung und ein höherer Kohlenstoffgehalt erhalten werden. Um die wichtige Wirkung, welche die Veränderung des FaIFo-Verhältnisses auf die Metallisierung und Aufkohlung des Schwammeisenproduktes ausübt, zu nutzen, soll der Kohlendioxidgehalt im Strom F3 annähernd Null sein. Um die gewünschte Kontrolle der Reduktions- und Aufkohlungsreaktionen, welche in den Reduktions- und Kühlzonen ablaufen, zu erzielen, soll wenig oder kein Kohlendioxid in dem dem Reaktor zügeführten Reduktions- oder Kühlgas vorhanden sein.In the same way, FIG. 3 shows the effect on the percentage carbon content of the sponge iron product as a function of the Fi / Fo ratio. It is clear from Figures 2 and 3 that when the F4 / F0 ratio approaches zero, a product with very high metallization and low carbon content is obtained, while when the F4 / F0 ratio approaches 1.0 approaches, a lower metallization and a higher carbon content can be obtained. In order to use the important effect which the change in the FaI Fo ratio has on the metallization and carburization of the sponge iron product, the carbon dioxide content in the stream F3 should be approximately zero. In order to achieve the desired control of the reduction and carburization reactions which take place in the reduction and cooling zones, little or no carbon dioxide should be present in the reducing or cooling gas fed to the reactor.
F i g. 4 zeigt die Beziehung zwischen dem Prozentsatz des als Kohlendioxid adsorbierten Kohlenstoffs, berechnet auf Basis des Gesamtkohlenstoffs, welcher in das System als Naturgas eintritt, als Funktion des F4/Fo-Fließverhältnisses. Die Kurve in Fig.4 zeigt deutlich, daß dann, wenn das FtJFo-Verhältnis sich Null nähert, etwa 80% des in das System eingeführten Kohlenstoffs als Kohlendioxid in dem Adsorber entfernt werden. Dies zeigt an, daß die Menge des Kohlenstoffs in dem Produkt verhältnismäßig niedrig ist Wenn das F4/Fo-Verhältnis sich 1,0 nähert, dann werden etwa 62% des in das System eingeführten Kohlenstoffs als Kohlendioxid entfernt, während der Rest als Kohlenstoff auf dem Schwammeisen abgeschieden wird. In beiden Fällen wird die Gesamtkohlenstoffbilanz in dem System in geeigneter Weise aufrechterhalten, ohne daß die Notwendigkeit besteht, große Mengen an Gas abzulüften und dadurch wird die Gesamteffizienz des Reduktionsverfahrens erhöht. F i g. Fig. 4 shows the relationship between the percentage of carbon adsorbed as carbon dioxide, calculated on the basis of the total carbon entering the system as natural gas, as a function of the F4 / Fo flow ratio. The curve in Figure 4 clearly shows that as the Ft / Fo ratio approaches zero, about 80% of the carbon introduced into the system is removed as carbon dioxide in the adsorber. This indicates that the amount of carbon in the product is relatively low. When the F4 / Fo ratio approaches 1.0, then about 62% of the carbon introduced into the system is removed as carbon dioxide, with the remainder being removed as carbon on the system Sponge iron is deposited. In either case, the overall carbon balance in the system is properly maintained without the need to vent large amounts of gas, thereby increasing the overall efficiency of the reduction process.
Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings
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